JPH057238B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 《産業上の利用分野》 本発明は、舶用オートパイロツトの省力化と、
操舵特性および省燃費性の改善に関するものであ
る。

《従来技術》 従来の舶用オートパイロツトは、例えば船首方
位信号発生器であるジヤイロコンパスからの船首
方位信号に基づいて自己位置を連続的に推定演算
し、船体を設定コース上にヨー軸周りの姿勢制御
のみで乗せる様な自動制御方法を採用するものが
ほとんどであつた。即ち、ヨー軸周りの姿勢制御
のみで船体の設定コースと船首方位の差、変針時
の設定ターンレート（切替スイツチ等を用いて手
動でターンレートを設定し出力していた）と実測
のターンレートの差がゼロになる様に制御ゲイン
を航海士が調整し、比例・積分・微分（以下
「PID」という）制御を行つていた。

第３図はこの様な舶用オートパイロツトの従来
例を示すブロツク線図である。図において、１は
船体、２は船首方位信号ψを出力するジヤイロコ
ンパス、３は命令舵角信号U₀を演算し出力する
演算部である。この演算部３は船首方位信号ψと
設定針路信号ψm₀とから針路偏差信号Δψ₀を出力
する減算器４と、ターンレート信号ψ〓（・は１階
微分を表わす。以下同様）を出力するターンレー
ト演算部５（図では船首方位信号ψを微分回路を
用いて微分しているが、別途ターンレートメータ
（図省略）を用いる場合もある）と、ターンレー
ト信号ψ〓と外部から機械的に設定された設定ター
ンレート信号ψ〓m₀との差を取りターンレート偏差
信号Δψ〓₀を出力する減算器５１と、一次遅れもし
くは二次遅れフイルタ等から成る入力フイルタ部
６と、この入力フイルタ部６でフイルタリングさ
れた針路偏差Ｆ信号Δψ^₀（Ｆはフイルタリングを
表わし、∧は計算された値（推定値）を表わす。
以下同様）及びターンレート偏差Ｆ信号Δψ^₀を
PID演算し命令舵角信号U₀を出力するPID演算回
路７とから成る。８は命令舵角信号U₀に基づい
て舵９を駆動させる舵取り機である。

この様な構成の舶用オートパイロツトにおける
操舵機能を以下に説明する。

減算器４は、船首方位信号ψと設定針路信号
ψm₀とを比較し、針路偏差信号Δψ₀を入力フイル
タ部６に出力する。又、減算器５１は、ターンレ
ート信号ψ〓と設定ターンレート信号ψ〓m₀とを比較
し、ターンレート偏差信号Δψ〓₀を入力フイルタ部
６に出力する。針路偏差信号Δψ₀とターンレート
偏差信号Δψ〓₀は、入力フイルタ部６であらかじめ
手動設定されたフイルタ設定値Mfに基づいてフ
イルタリングされ、針路偏差Ｆ信号Δψ^₀、ターン
レート偏差Ｆ信号Δψ^₀としてPID演算回路７に導
かれる。PID演算回路７は、外部から航海士によ
つて手動で設定される制御パラメータMg（例え
ばPID制御ゲインや時定数）に基づいて針路偏差
Ｆ信号Δψ^₀とターンレート偏差Ｆ信号Δψ^₀をPID
演算し、命令舵角信号U₀として舵取り機８に出
力し舵９を駆動する。

《発明が解決しようとする問題点》 ところで、この様な構成の舶用オートパイロツ
トには、次の様な問題点があつた。

PID演算回路７において、制御パラメータ
Mgを外部から航海士が手動設定しているた
め、船体１の運動特性の変化に対して前記制御
パラメータMgを常に適正な値に調整すること
が容易でない。制御パラメータMgを適正な値
に調整できないと、望ましい制御特性、即ち高
い保針能力（針路保持）と高い変針能力（針路
変更）が得にくく、従つて輸送の高信頼性が望
めず、又パイロツトシステムの省燃費化を達成
することも困難である。

仮に制御パラメータMgを適正な値に調整す
ることができたとしても、気象や海象の変化に
いちいち対応してこれを設定する航海士にかか
る負担は非常に大きなものとなる。特に肥大船
など進路不安定船の場合にこれが著しい。

入力フイルタ部６は一時遅れ（又は、二次遅
れ）フイルタで構成されているので十分なフイ
ルタリング効果が得られず、操舵特性および省
燃費性が低下する。

変針時においては、設定ターンレートと実測
ターンレートとの差を検出しこの差に応じて一
定の設定ターンレート信号を変針終了時点まで
保持するので、船体が慣性の影響を受けて大き
なオーバーシユートを起こしてしまう。狭水道
航行中にオーバーシユートが大きいと、他船と
の衝突や対岸への坐礁等の危険が生じる。

本発明は上述した問題点に鑑みてなされたもの
であつて、その船体にとつて高い保針性と高い変
針性を満足しつつ燃費消費料を最小にするような
最適な制御ゲインを航海士の手をわずらわせるこ
となく、自動的に決定できるようにするととも
に、船体の運動特性等が変化した場合にあつて
も、常に最適運航を可能にする舶用オートパイロ
ツトを提供することを目的とする。

《問題点を解決するための手段および作用》 本発明の舶用オートパイロツトは、船首方位信
号、ターンレート信号および舵角信号にもとづい
て制御すべき船体に最適な操舵角信号を得るよう
にしたもので、以下のような構成および作用とし
た。

第１の発明： 船首方位信号とターンレート信号から操舵に有
害な高周波成分をフイルタ部で除外する。船体特
性推定演算部で前記船首方位信号と前記ターンレ
ート信号と舵角信号から船体特性の推定値でかつ
ターンレートの３乗項の係数を含む推定船体パラ
メータを演算・出力し、この出力信号に対応する
最適ゲインを保針変針最適ゲイン調整部から出力
する。保針変針最適操作量演算部ではこの最適ゲ
イン出力によつて制御ゲインを設定され、前記フ
イルタ部を経由した針路方位信号とターンレート
信号に演算を行なつて最適操舵角信号を出力す
る。

第２の発明： まず船体特性推定演算部において船首方位信号
とターンレート信号と舵角信号から船体特性の推
定値でかつターンレートの３乗項の係数を含む推
定船体パラメータを演算・出力する。船体運動推
定演算部は前記船首方位信号と前記ターンレート
信号と前記舵角信号を入力して、ターンレートの
３乗項を有し前記推定船体パラメータ信号で係数
が設定される船体モデルを用いて前記船体の運動
を推定演算し推定針路方位信号と推定ターンレー
ト信号を出力する。保針変針最適ゲイン調整部は
前記推定船体パラメータ信号に対応する最適ゲイ
ンを出力し、保針変針最適操作量演算部はこの最
適ゲイン出力によつて制御ゲインを設定され、前
記船体運動推定演算部から入力する推定針路方位
信号と推定ターンレート信号に演算を行なつて最
適操舵角信号を出力する。

第３の発明： まず船体特性推定演算部は船首方位信号とター
ンレート信号と舵角信号から船体特性の推定値で
かつターンレートの３乗項の係数を含む推定船体
パラメータを演算し出力する。船体運動推定演算
部は前記船首方位信号と前記ターンレート信号と
前記舵角信号を入力して、ターンレートの３乗項
を有しかつ前記推定船体パラメータ信号で係数が
設定される船体モデルを用いて前記船体の運動を
推定演算し推定針路方位信号と推定ターンレート
信号を出力する。波浪外乱周波数決定部は前記推
定船体パラメータを入力し、波浪外乱周波数を決
定して波浪外乱周波数信号を出力する。波浪外乱
推定演算部は前記船首方位信号と前記ターンレー
ト信号と前記舵角信号と前記波浪外乱周波数信号
と前記推定船体パラメータから前記船体が制御可
能な周波数の前記船体に働く波浪外乱の大きさを
推定演算する。海象判定部は前記ターンレート信
号と前記波浪外乱周波数信号を入力し、前記波浪
外乱の状態から海象状況を判定し判定波浪外乱周
波数を出力する。保針変針最適ゲイン調整部は前
記船体特性推定演算部から入力する推定船体パラ
メータ信号に対応する最適ゲインを出力し、保針
変針最適操作量演算部はこの最適ゲイン出力によ
つて制御ゲインを設定され、前記船体運動推定演
算部から入力する推定針路方位信号と推定ターン
レート信号に演算を施す。波浪外乱最適ゲイン調
整部は前記海象判定部の判定波浪外乱周波数出力
に対応する最適ゲインを出力し、波浪外乱最適操
作量演算部はこの最適ゲイン出力によつて制御ゲ
インを設定され、前記波浪外乱推定演算部から入
力する推定波浪外乱信号に演算を行なう。合成最
適操作量演算部は前記保針変針最適操作量演算部
および前記波浪外乱最適操作量演算部からの操作
量出力を加算して最適操舵角信号を出力する。

《発明の実施例》 以下図面を用いて詳細に説明する。

第１図は本発明の舶用オートパイロツトの一実
施例を示すブロツク線図、第２図は第１図装置の
動作を説明するためのフローチヤートである。第
１図において第３図と重複する部分・機能につい
ては同一番号・符号を付けてその説明を省略す
る。

第１図において、１０は船首方位信号ψとター
ンレート信号ψ〓と舵角信号δから船体特性の推定
値でかつターンレートの３乗項の係数を含む推定
船体パラメータα^，β^，γ^（∧は推定値を意味する
）
を出力する船体特性推定演算部、１１は前記船首
方位信号ψと前記ターンレート信号ψ〓と前記舵角
信号δを入力してターンレートの３乗項を有しか
つ前記推定船体パラメータ信号α^，β^，γ^で係数が
設定される船体モデルを用いて前記船体１の運動
を推定演算し推定針路方位信号ψ^と推定ターンレ
ート信号＾を出力する船体運動推定演算部、１２
は前記ターンレート信号ψ〓と推定船体パラメータ
信号R^，β^を入力し、波浪外乱周波数ω₁，ω₂を決
定して出力する波浪外乱周波数決定部、１３は前
記船首方位信号ψと前記ターンレート信号ψ〓と前
記舵角信号δと前記波浪外乱周波数信号ω₁，ω₂
と前記推定船体パラメータ信号R^，β^から前記船
体１が制御可能な周波数の前記船体１に働く波浪
外乱の大きさを推定演算する波浪外乱推定演算
部、１４は前記ターンレート信号ψ〓と前記波浪外
乱周波数信号ω₁，ω₂を入力し、前記波浪外乱の
状態から海象状況を判定し判定波浪外乱周波数を
出力する海象判定部、１５は前記船体特性推定演
算部１０から入力する推定船体パラメータ信号
R^，β^に対応する最適ゲイン〓１を出力する保針
変針最適ゲイン調整部、１６はこの保針変針最適
ゲイン調整部１５からの前記最適ゲイン出力〓１
によつて制御ゲインを設定され、前記船体運動推
定演算部１１から入力する推定針路方位信号ψと
推定ターンレート信号ψ^に演算を行なう保針変針
最適操作量演算部、１７は前記海象判定部１４の
出力に対応する最適ゲイン〓２を出力する波浪外
乱最適ゲイン調整部、１８はこの波浪外乱最適ゲ
イン調整部１７からの前記最適ゲイン出力〓２に
よつて制御ゲインを設定され、前記波浪外乱推定
演算部１３から入力する推定波浪外乱信号W^dに
演算を行なう波浪外乱最適操作量演算部、１９は
前記保針変針最適操作量演算部１６および前記波
浪外乱最適操作量演算部１８からの操作量出力
Uδ₁，Uδ₂を加算して最適操舵角信号Uδを出力す
る合成最適操作量演算部である。

以下に、これら各部を第１図及び第２図にもと
づいて更に詳細に説明する。

＜船体運動推定演算部１１＞ 船体運動推定演算部１１は船首方位信号ψとタ
ーンレート信号ψ〓と舵角信号δを入力して、次式
により推定針路方位信号ψ^と推定ターンレート信
号ψ^を推定演算する。

dψ^（ｔ）／dt＝−R^（ｔ）ψ^（ｔ）＋β^（ｔ）δ（
ｔ）＋
β^（ｔ）W^d（ｔ）＋3γ^（ｔ）（ψ^（ｔ））³−γ^
（ｔ）（ψ^
（ｔ））³＋K₁₁（ψ〓（ｔ）−ψ^（ｔ））＋K₁₂（ψ（
ｔ）−ψ^
（ｔ）＋K₁₁V₁（ｔ）＋K₁₂V₂（ｔ） …(1) dψ^（ｔ）／dt＝ψ^（ｔ）＋K₂₁（ψ〓（ｔ）−ψ^（
ｔ））＋K₂₂
（ψ（ｔ）−ψ^（ｔ））＋K₂₁V₁（ｔ）＋K₂₂V₂（ｔ）
…(2) ただしR^（ｔ）＝α^（ｔ）＋3γ^（ｔ）（ψ^（ｔ）
）²…(3) で、α^（＝１／Tv；Tvは追従性指数）、β^（＝Kv／
Tv；Kvは旋回性指数）、γ^（非線形項の係数）は
後述の船体特性推定演算部１０で推定される船体
自身のパラメータ、W^dは後述の波浪外乱推定演
算部１３で推定される波浪外乱の推定値、v₁，v₂
は測定ノイズ、ｔは時間である。

推定式(1)〜(3)は、船体の旋回時の数式モデルを
肥大船など進路不安定船の場合も考慮してターン
レートψ〓の３乗項を含ませるとともに外乱による
ヨーイングを等価的な舵角に置き換えて波浪外乱
Wdとした式 ψ¨（ｔ）＋αψ〓（ｔ）＋γ（ψ〓（ｔ））³＝β
δ（ｔ））＋βWd
（ｔ） …(4) で表わして、これを線形近似したものに公知の
（拡張）カルマンフイルタの理論を適用すること
により得られる。この結果カルマンゲインK₁₁〜
K₂₂はψ−ψ^，ψ〓−ψ^の分散を最小にするように決
定される。

＜船体特性推定演算部１０＞ 船体特性推定演算部１０は船首方位信号ψとタ
ーンレート信号ψ〓と舵角信号δから船体特性の推
定値である推定船体パラメータα^，β^，γ^を前記(1)
(2)(3)式および次の(5)(6)(7)式により推定演算する。

dα^（ｔ）／dt＝K₃₁（ψ〓（ｔ）−ψ^（ｔ））＋K₃₂
（ψ（ｔ）
−ψ^（ｔ））＋K₃₁v₁（ｔ）＋K₃₂v₂（ｔ）…(5) dβ^（ｔ）／dt＝K₄₁（ψ〓（ｔ）−ψ^（ｔ））＋K₄₂
（ψ（ｔ）
−ψ^（ｔ））＋K₄₁v₁（ｔ）＋K₄₂v₂（ｔ）…(6) dγ^（ｔ）／dt＝K₅₁（ψ〓（ｔ）−ψ^（ｔ））＋K₅₂
（ψ（ｔ）
−ψ^（ｔ））＋K₅₁v₁（ｔ）＋K₅₂v₂（ｔ）…(7) これらの式は前記同様船体モデルを(4)式で表わ
すとともに、船体パラメータα，β，γも未知量
として取扱い、これに（拡張）カルマンフイルタ
の理論を適用することにより得られる。この場合
カルマンゲインK₁₁〜K₅₂はψ−ψ^，ψ〓−ψ^，α−
α^，β−β^，γ−γ^の分散を最小にするように決定
される。

上記の船体特性推定演算部１０の演算速度を船
体運動推定演算部１１よりも速くすれば、相互の
干渉をなくして動作特性を向上することができ
る。

＜波浪外乱周波数決定部１２＞ 海象が変化した時、船体特性推定演算部１０か
らの推定船体パラメータR^，β^とターンレート信
号ψ〓を入力する波浪外乱周波数決定部１２は、そ
の海象における、その船体１にとつて制御可能な
波浪外乱周波数を決定する。

すなわち、まず推定船体パラメータR^，β^から
船体１が制御可能（又は応答可能）な低周波数帯
域を求める。次に船体１の不規則雑音（平均値は
０）を含んだターンレート信号をフーリエ変換し
て、ターンレートψ〓に関する周波数スペクトルを
得る。この周波数スペクトルが前記低周波数帯域
において最大値（その船体の保針性に最も影響を
及ぼす値）及び２番目の値をとる周波数（正確に
は角周波数）ω₁，ω₂を求め、これらを波浪外乱
周波数として出力する。

尚、上記の例では波浪外乱周波数として前記低
周波数帯域における第１、第２の周波数成分のみ
を求めているが、これに限定されるものではな
く、第３周波数成分以降をさらに追加して後述の
波浪外乱推定に利用してもよい。このようにすれ
ば、波浪外乱に関するフイードフオワード制御特
性は更に改善される。

＜波浪外乱推定演算部１３＞ 波浪外乱推定演算部１３は船首方位信号ψとタ
ーンレート信号ψ〓と舵角信号δと船体特性推定演
算部１０からの推定船体パラメータR^，β^および
前記波浪外乱周波数決定部１２から出力される波
浪外乱周波数ω₁，ω₂を入力して、船体１にとつ
て制御可能な周波数の波浪外乱Wdの大きさを前
記(1)(2)(3)式および次の(8)(9)(10)(11)式により推定
演
算する。

dψ^₁₂（ｔ）／dt＝−ω₁x^₁₂（ｔ）＋K₆₁（ψ〓（ｔ）
−ψ^
（ｔ））＋K₆₂（ψ（ｔ）−ψ^（ｔ））＋x^₂₂（ｔ）＋
K₆₁v₁
（ｔ）＋K₆₂v₂（ｔ） …(8) dx^₁₂（ｔ）／dt＝ψ^₁₂（ｔ）＋K₇₁（ψ〓（ｔ）−ψ^
（ｔ））＋
K₇₂（ψ（ｔ）−ψ^（ｔ））＋K₇₁v₁（ｔ）＋K₇₂v₂（ｔ
）
…(9) dψ^₂₂（ｔ）／dt＝−ω₂x^₂₂（ｔ）＋K₈₁（ψ〓（ｔ）
−ψ^
（ｔ））＋K₈₂（ψ（ｔ）−ψ^（ｔ））＋K₈₁v₁（ｔ）
＋K₈₂v₂
（ｔ） …(10) dx^₂₂（ｔ）／dt＝ψ^₂₂（ｔ）＋K₉₁（ψ〓（ｔ）−ψ^
（ｔ））＋
K₉₂（ψ（ｔ）−ψ^（ｔ））＋K₉₁v₁（ｔ）＋K₉₂v₂（ｔ
）
…(11) ただし W^d（ｔ）＝x^₁₂（ｔ） これらの式は前記同様船体モデルを(4)式で表わ
すとともに、波浪外乱のモデル式を２つの周波数
ω₁，ω₂の正弦波と白色ノイズWrとで構成した次
の(12)(13)(14)式で表わし、これにカルマンフイル
タの理論を適用することにより得られる。

x₁₂（ｔ）＝Wd（ｔ） …(12) X¨₁₂（ｔ）＝−ω₁x₁₂（ｔ）＋x₂₂（ｔ）…(13) X¨₂₂（ｔ）＝−ω₂x₂₂（ｔ）＋Wr（ｔ） …(14) この場合カルマンゲインK₆₁〜K₉₂はψ−ψ^，ψ〓
−ψ^，x₁₂−x^₁₂，x〓12−ψ^₁₂，x₂₂−x^₂₂，x〓22−
ψ^₂₂
の分散を最小にするように決定される。

＜海象判定部１４＞ 海象が変化すれば波浪外乱Wdの状態も変化
し、波浪外乱Wdの大きさの推定も再度実行しな
ければならないし、波浪外乱フイードフオワード
量も変更しなければならない。海象判定部１４は
ターンレート信号ψ〓と、前記波浪外乱周波数決定
部１２で決定された波浪外乱周波数ω₁，ω₂を入
力して海象の状態を判定する。

即ち、海象判定部１４はターンレート信号をフ
ーリエ変換してパワースペクトル密度Ｓ（ｎ）（ｎ
はスペクトル次数）を演算する。下記のように、
このパワースペクトル密度Ｓ（ｎ）の最大値を、
あらかじめ決めておいた設定値Φwd₀，Φwd₁，
Φwd₂と比較することにより、その時の海象レベ
ルを判定する。

CALM SEA（目視波高が０〜0.1m程度の鏡
のように滑らかな海象）の場合は、 MAX［Ｓ（ｎ）］≦Φwd₀ …(15) となるので、波浪外乱の推定および制御は原則
として行なわない。

ROUGH SEA（目視波高が2.5〜4m程度の波
がやや高い海象）の場合は、 Φwd₀＜MAX［Ｓ（ｎ）］≦Φwd₁ …(16) となるので、波浪外乱の推定を行なう。

VERY ROUGH SEA（目視波高が4.0〜6m
程度の波がかなり高い海象）の場合は、 Φwd₁＜MAX［Ｓ（ｎ）］≦Φwd₂ …(17) となるので、波浪外乱の推定を行なう。

HIGH ROUGH SEA（目視波高が6m以上の
非常に荒れた海象）の場合は、 Φwd₂＜MAX［Ｓ（ｎ）］ …(18) となるので、船体の安全性のために波浪外乱の
推定および制御は原則として行なわない。

上記のの場合には判定波浪外乱周波数ω₁₀
＝ω₁，ω₂₀＝ω₂を波浪外乱最適ゲイン調整部１７
に出力する。

なお、上記の海象判定部１４は、ターンレート
信号を用いているが、推定された波浪外乱W^dを
フーリエ変換する構成としてもよい。

＜保針変針最適ゲイン調整部１５＞ 保針変針最適ゲイン調整部１５は前記船体特性
推定演算部１０で推定されたR^，β^を入力し、そ
の船の大きさ、重さ、不安定度などに見合つた最
適フイードバツクゲインを最適ゲインテーブルか
ら選択して、ゲイン行列〓１として出力する。最
適ゲインテーブルとしては、あらかじめ各クラス
の船について求めた最適フイードバツクゲインを
書込んだROMなどを用いる。

＜保針変針最適操作量演算部１６＞ 保針変針最適操作量演算部１６は、前記保針変
針最適ゲイン調整部１５で決定される最適フイー
ドバツクゲイン〓１＝（K_1P，K_1D，K_1I，K_C1，
K_C2）を入力して、これと設定ターンレート
ψ〓m₀、設定針路方位ψm₀、前記船体運動推定演算
部１１からの推定針路方位信号ψ^および推定ター
ンレート信号〓を、次式で示すように掛合わせる
ことにより第１の操作量Uδ₁（ｔ）を演算・出力
する。

Uδ₁＝−K_1Pψ^−K_1Dψ^−K_1I∫｛ψ^−ψm₀｝dt）＋
K_C1ψm₀＋K_C2ψ〓m₀ …(19) ただし保針時はψ〓m₀＝０である。

この第１の操作量Uδ₁は、積荷等によつて生じ
る、船体への外乱の影響を減らすように操舵角を
変化させる。

＜波浪外乱最適ゲイン調整部１７＞ 波浪外乱最適ゲイン調整部１７は前記海象判定
部１４の出力値である判定波浪外乱周波数ω₁₀，
ω₂₀を入力し、最適ゲインテーブルから最適フイ
ードフオワードゲインを選択して、ゲイン行列〓
２として出力する。最適ゲインテーブルとして、
あらかじめROMなどに種々の海象に対応する最
適フイードフオワードゲインを書込んでおく。

＜波浪外乱最適操作量演算部１８＞ 波浪外乱最適操作量演算部１８は、前記波浪外
乱最適ゲイン調整部１７で決定される最適フイー
ドフオワードゲイン〓２＝K₂₁，K₂₂，K₂₃，K₂₄）
を入力して、これと前記波浪外乱推定演算部１３
からの波浪外乱推定値W^d，ψ^₁₂，x^₂₂，ψ^₂₂を、次
式で示すように掛合わせることにより第２の操作
量Uδ₂（ｔ）を演算・出力する。Uδ₂＝−K₂₁W^d
−K₂₂ψ^₁₂−K₂₃x^₂₂−K₂₄ψ^₂₂ …(20) この第２の操作量Uδ₂（ｔ）は、波浪外乱の影
響を減らすように操舵角を変化させる。

＜合成最適操作量演算部１９＞ 合成最適操作量演算部１９は前記保針変針最適
操作量演算部１６から出力される第１の操作量
Uδ₁と前記波浪外乱最適操作量演算部１８から出
力される第２の操作量Uδ₂を下式のように加算し
て最適舵角信号Uδを操舵機８に出力する。

Uδ＝Uδ₁＋Uδ₂ …(21) 上記の保針変針最適ゲイン調整部１５、保針変
針最適操作量演算部１６、波浪外乱最適ゲイン調
整部１７、波浪外乱最適操作量演算部１８、合成
最適操作量演算部１９は以下に示すようなアルゴ
リズムに従つて動作している。

船体の運動方程式(4)を推定ターンレートψ〓（ｔ）
について展開し、線形近似すると、 ψ¨（ｔ）＝−Ｒ（ｔ）ψ〓（ｔ）＋βδ（ｔ）＋β
（ｔ）
…(22) となる。ただし、 Ｒ（ｔ）＝α（ｔ）＋3γ（ｔ）（ψ^（ｔ））² …(23) （ｔ）＝Wd（ｔ）＋3γ（ｔ）（ψ^（ｔ））³／β
…(24) さらに関係式 e〓₁（ｔ）＝ψ（ｔ）−ψm₀（ｔ） …(25) e〓₂（ｔ）＝ψ〓（ｔ）−ψ〓m₀（ｔ） …(26) ψ〓m₀（ｔ）＝０ …(27) ψ¨m₀（ｔ）＝０ …(28) を追加する。上記(22)〜(28)式と波浪外乱のモデ
ル式(12)(13)(14)式からなる制御対象について、次
式の評価関数Ｊを最小にするようなδを公知の最
適レギユレータ理論を用いて求めることにより、
最適フイードバツクゲイン〓１、フイードフオワ
ードゲイン〓２を決定する。

Ｊ＝Ｅ［∫｛λ₁（ψ−ψm₀）²＋λ₂（ψ〓−ψ〓m₀）²
＋λ₃（∫
（ψ−ψm₀）dt）²＋λ₄δ²｝dt］ …(29) ただしＥ［ ］は集合平均を表わす。評価関数Ｊ
は省エネルギー性、保針性、変針性を表わしてい
る。

以上の解析をあらかじめ各種波浪外乱および各
種船体（Ｒ，β）について行い、最適ゲイン行列
〓１＝（K_1P，K_1D，K_1I，K_C1，K_C2，〓２＝K₂₁，
K₂₂，K₂₃，K₂₄）を船体パラメータ（R^，β^）お
よび海象判定出力から参照できるように保針変針
最適ゲイン調整部１５および波浪外乱最適ゲイン
調整部１７内にテーブル化しておく。

ここでR^（ｔ）＝α^（ｔ）＋3γ^（ｔ）（ψ^（ｔ）
）²であ
り、α^，γ^は一定な定常解を持つが、ψ^（ｔ）が零
点の周りに振動するので、R^もα^の周りに振動す
る。ゲインを調整するための参照情報は一定な値
を持つことが望ましいので、R^の２乗平均 を参照用のR^の値とする。R^が振動していてもそ
の振動の性質が定常ならRMSR^も定常値となる。

なお第２図のフローチヤートに示すように、上
記の実施例においてスタート時は、船体特性推定
値の初期値R^（Ｏ），β^（Ｏ）を設定され、これを演
算に使用している。

また上記の実施例では船体運動推定演算部１１
として（拡張）カルマンフイルタを用いている
が、これに限らず、通常のアナログフイルタなど
を使用することも可能である。

また波浪外乱の推定を行なわなければ、波浪外
乱周波数決定部１２、波浪外乱推定演算部１３、
海象判定部１４、波浪外乱最適ゲイン調整部１
７、波浪外乱最適操作量演算部１８を省略でき、
構成をより簡単にすることができる。

また、上述した実施例ではあらかじめ多くの最
適制御ゲインを計算により求めておき、それをゲ
インテーブル（メモリ記憶形式）として記憶さ
せ、これを推定船体パラメータR^，β^と判定波浪
外乱周波数ω₁₀，ω₂₀により選択する場合を説明
したが、必ずしもこのようにテーブル形式で行な
う必要はなく、最適制御ゲイン行列〓１の演算を
オンラインで行なつてもよい。

上記の実施例において、保針変針最適ゲイン調
整部１５、保針変針最適操作量演算部１６、波浪
外乱最適ゲイン調整部１７、波浪外乱最適操作量
演算部１８、合成最適操作量演算部１９の部分を
まとめてマイクロコンピユータで構成してもよ
い。また他の各部も同様にマイクロコンピユータ
で構成できる。

尚、本発明に船速信号を用いる構造、即ち、船
速信号を船体特性推定演算部に取り入れて船体特
性を推定するような構成としてもよい。このよう
にすれば船速変化に逐次対応した補正値が得られ
るので、本システムの精度はさらに向上する。

またターンレートψ〓を推定演算部入力とせず、
船首方位信号ψのみを用いて各推定演算を行なう
こともできる。また各推定演算部の入力として、
針路方位信号ψおよびターンレート信号ψ〓のかわ
りに針路方位偏差ψm₀−ψ、ターンレート偏差ψ〓
＝ψ〓m₀−ψ〓を用いることもできる。

《発明の効果》 以上述べたように、 第１の発明によれば、船体の重さや大きさによ
つて変化する操舵特性を、船体の特性を推定する
船体特性推定演算部によつて自動制御しているた
めに、積荷の変化やバラストの変化による船体質
量等の船体特性が変化しても変化に追従した操舵
が可能である。

このため、変針時にオーバーシユートすること
もなく、安定した操舵を実現できる。

第２の発明によれば、船体の運動をターンレー
トの３乗項を有する船体モデルを用いて推定演算
する船体運動推定演算部を設けているので、肥大
形の針路不安定船であつても船体特性に見合つた
省エネルギー航行と最適な保針変針特性を実現で
きる。

第３の発明によれば、気象、海象の変化により
変動するカルマンフイルタで推定演算し、操舵特
性を波浪外乱から直接フイードフオワード制御し
ているので、波浪外乱に対応した制御量を得るこ
とができる。

このために航海士が気象や海象を見て制御ゲイ
ンを調整しなくても良く、航海士の負担を軽減で
きると共に、波浪外乱に影響を受けないで的確な
舵を切りを実現できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の舶用オートパイロツトのブロ
ツク構成図、第２図は第１図のフローチヤート、
第３図は舶用オートパイロツトの従来例を示すブ
ロツク線図である。 １……船体、１０……船体特性推定演算部、１
１……船体運動推定演算部、１２……波浪外乱周
波数決定部、１３……波浪外乱推定演算部、１４
……海象判定部、１５……保針変針最適ゲイン調
整部、１６……保針変針最適操作量演算部、１７
……波浪外乱最適ゲイン調整部、１８……波浪外
乱最適操作量演算部、１９……合成最適操作量演
算部、ψ……船首方位信号、ψ〓……ターンレート
信号、δ……舵角信号、Uδ……操舵角信号、α^，
β^，γ^，R^……推定船体パラメータ、ψ……推定針
路方位信号、ψ^……推定ターンレート信号、ω₁，
ω₂……波浪外乱周波数、Wd……波浪外乱の大き
さ、ω₁₀，ω₂₀……判定波浪外乱周波数、〓１，
〓２……最適ゲイン、W^d……推定波浪外乱信
号。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 船首方位信号、ターンレート信号および舵角
   信号にもとづいて制御すべき船体に最適な操舵角
   信号を得る構成の舶用オートパイロツトにおい
   て、 前記船首方位信号と前記ターンレート信号から
   操舵に有害な高周波成分を除外するフイルタ部
   と、 前記船首方位信号と前記ターンレート信号と前
   記舵角信号から船体特性の推定値でかつターンレ
   ートの３乗項の係数を含む推定船体パラメータを
   演算し出力する船体特性推定演算部と、 前記船体特性推定演算部から入力する推定船体
   パラメータ信号に対応する最適ゲインを出力する
   保針変針最適ゲイン調整部と、 この保針変針最適ゲイン調整部からの前記最適
   ゲイン出力によつて制御ゲインを設定され、前記
   フイルタ部を経由した針路方位信号とターンレー
   ト信号に演算を行なつて最適操舵角信号を出力す
   る保針変針最適操作量演算部と、 を具備することを特徴とする舶用オートパイロツ
   ト。 ２ 船体特性推定演算部をカルマンフイルタで構
   成した特許請求の範囲第１項の舶用オートパイロ
   ツト。 ３ 船首方位信号、ターンレート信号および舵角
   信号にもとづいて制御すべき船体に最適な操舵角
   信号を得る構成の舶用オートパイロツトにおい
   て、 前記船首方位信号と前記ターンレート信号と前
   記舵角信号から船体特性の推定値でかつターンレ
   ートの３乗項の係数を含む推定船体パラメータを
   演算し出力する船体特性推定演算部と、 前記船首方位信号と前記ターンレート信号と前
   記舵角信号を入力してターンレートの３乗項を有
   し前記推定船体パラメータ信号で係数が設定され
   る船体モデルを用いて前記船体の運動を推定演算
   し推定針路方位信号と推定ターンレート信号を出
   力する船体運動推定演算部と、 前記船体特性推定演算部から入力する推定船体
   パラメータ信号に対応する最適ゲインを出力する
   保針変針最適ゲイン調整部と、 この保針変針最適ゲイン調整部からの前記最適
   ゲイン出力によつて制御ゲインを設定され、前記
   船体運動推定演算部から入力する推定針路方位信
   号と推定ターンレート信号に演算を行なつて最適
   操舵角信号を出力する保針変針最適操作量演算部
   と、 を具備することを特徴とする舶用オートパイロツ
   ト。 ４ 船体特性推定演算部および船体運動推定演算
   部をカルマンフイルタで構成した特許請求の範囲
   第３項の舶用オートパイロツト。 ５ 船首方位信号、ターンレート信号および舵角
   信号にもとづいて制御すべき船体に最適な操舵角
   信号を得る構成の舶用オートパイロツトにおい
   て、 前記船首方位信号と前記ターンレート信号と前
   記舵角信号から船体特性の推定値でかつターンレ
   ートの３乗項の係数を含む推定船体パラメータを
   演算し出力する船体特性推定演算部と、 前記船首方位信号と前記ターンレート信号と前
   記舵角信号を入力してターンレートの３乗項を有
   しかつ前記推定船体パラメータ信号で係数が設定
   される船体モデルを用いて前記船体の運動を推定
   演算し推定針路方位信号と推定ターンレート信号
   を出力する船体運動推定演算部と、 前記ターンレート信号と前記推定船体パラメー
   タを入力し、波浪外乱周波数を決定して波浪外乱
   周波数信号を出力する波浪外乱周波数決定部と、 前記船首方位信号と前記ターンレート信号と前
   記舵角信号と前記波浪外乱周波数信号と前記推定
   船体パラメータから前記船体が制御可能な周波数
   の前記船体に働く波浪外乱の大きさを推定演算す
   る波浪外乱推定演算部と、 前記ターンレート信号と前記波浪外乱周波数信
   号を入力し、前記波浪外乱の状態から海象状況を
   判定し判定波浪外乱周波数を出力する海象判定部
   と、 前記船体特性推定演算部から入力する推定船体
   パラメータ信号に対応する最適ゲインを出力する
   保針変針最適ゲイン調整部と、 この保針変針最適ゲイン調整部からの前記最適
   ゲイン出力によつて制御ゲインを設定され、前記
   船体運動推定演算部から入力する推定針路方位信
   号と推定ターンレート信号に演算を行なう保針変
   針最適操作量演算部と、 前記海象判定部の出力に対応する最適ゲインを
   出力する波浪外乱最適ゲイン調整部と、 この波浪外乱最適ゲイン調整部からの前記最適
   ゲイン出力によつて制御ゲインを設定され、前記
   波浪外乱推定演算部から入力する推定波浪外乱信
   号に演算を行なう波浪外乱最適操作量演算部と、 前記保針変針最適操作量演算部および前記波浪
   外乱最適操作量演算部からの操作量出力を加算し
   て最適操舵角信号を出力する合成最適操作量演算
   部と、 を具備することを特徴とする舶用オートパイロツ
   ト。 ６ 船体特性推定演算部、船体運動推定演算部お
   よび波浪外乱推定演算部をカルマンフイルタで構
   成した特許請求の範囲第５項の舶用オートパイロ
   ツト。